DUAL R&D. R&D per un rivelatore compatto criogenico di onde gravitazionali adatto a coprire l intervallo delle alte frequenze ( 1-7 khz):

Transcript

1 DUAL R&D R&D per un rivelatore compatto criogenico di onde gravitazionali adatto a coprire l intervallo delle alte frequenze ( 1-7 khz): sigla approvata in giugno 2006 (attività 2005 in Dotazioni) Strutture: Ferrara-Firenze-Legnaro-Napoli-Padova-Trento (coinvolgimento informale di Roma2) Configurazioni Trasduzione capacitiva Trasduzione ottica Materiali Avanzamenti:

2 Dual R&D: Configurazioni Studiata una nuova geometria con concentratori d onda come amplificatori di spostamento (trasversi) Minimum Gain y (out of resonance) x Min L 1 L 2 3/4 Realistic Dual Sensitivity L 1 x y L 2 La nuova configurazione proposta per dual è Material: Molibdenum Weight: 4.4 ton Height: 1.2 m. Radius: 0.35 m. Trans. Bias field 6.5 MV/m SQUID Q.L. Esempio Primo calcolo realistico (3D+ readout capacitivo) della sensibilità di Dual Phys. Rev. D 77, (2008).

3 Dual R&D: Configurazioni Per verificare la fattibilità di un rivelatore Dual equipaggiato con concentratori di spostamento bisogna sciogliere alcuni nodi: Montaggio ed allineamento degli elettrodi (o specchi) agli estremi degli amplificatori meccanici Degradazione del fattore di merito Q a causa dell applicazione degli elettrodi (o specchi) Efficienza della selettività quadrupolare Sono effettivamente raggiungibili i parametri richiesti alla linea di trasduzione (per esempio il campo elettrico di bias, il rumore dello SQUID ecc. nel caso del readout capacitivo) una volta integrata in un detector? Realizzato un piccolo prototipo in scala di Dual+concentratori

4 Dual R&D: Configurazioni Prototipo in piccola scala di Dual+concentratori+readout capacitivo Aluminum 5056 single piece R ext = 15 cm R int = 3 cm L = 17 cm Readout: capacitive T/Q: 5x10-9 K Elettrodi: grande area Smontabili Una versione ottica con specchi incollata può anche essere testata

5 Prototipo in scala di Dual+concentratoti + readout Senza elettrodi Con un elettrodo

6 Dual R&D: Traduzione capacitiva Migliorata ulteriormente la sensibilità energetica dello SQUID: T n (μk) Chip IBM: risultati T (K) Energy Resolution ε (h) ε min =10h T nmin =4μK (@8.9 khz and 200 mk) Sensibilità energetica degli SQUID impiegati e svipuppati dalla collaborazione Auriga e Dual R&D Energy resolution ε (h) Year Prossimo passo (2008): test di nuovi chip in arrivo da Berlino e Twente-Jena

7 Dual R&D: Traduzione capacitiva Le richieste di Dual per le perdite elettriche della linea di adattamento di impedenza tra trasduttore e SQUID sono 6 10 Le richieste sono soddisfatte a T criogeniche ma abbiamo osservato che a temperature ultracriogeniche il Q elettrico degrada anche di un fattore 2-3 Motivo:Abbiamo osservato perdite paramagnetiche (Curie) dei supporti (teflon e PVC) dei magneti Q el 1,5x10-6 Magnetic losses Polytetrafluoroethylene Polyvinylchloride 2x10-5 Sapphire Dielectric losses Loss Angle /2 1,0x10-6 5,0x10-7 0,0 0,000 0,002 0,004 0,006 1/T [1/mK] Soluzione:Nuovi supporti in quarzo e risuonatori con piccole induttanze sono in fase test. Vanno però tenute in conto anche le perdite dielettriche (es perdite con in zaffiro) Loss Angle 1x10-5 4x Temperature [mk]

8 DUAL-RD: Trasduzione ottica Completamento della milestone 2007, stabilizzazione in ampiezza del laser. Amplitude Noise ( V/Hz 1/2 ) Free Out loop In loop Shot Out dark In dark Frequency (Hz) Completamento della camera da vuoto con stabilizzazione termica per la cavità ULE ConsegnadellacavitàULE (previstagiu. 08, effettuatasett. 08) per la stabilizzazione in frequenza (milestone 2008)

9 DUAL-RD: Trasduzione ottica Studio sperimentale della risposta in frequenza dell effetto fototermico in fibre ottiche (preliminare) Preliminary 10-7 FFP Strain δl/l Frequency (Hz) Raffreddamento con pressione di radiazione

10 DUAL-RD: Trasduzione ottica Modellizazione del rumore una cavità ottica di Herriott a riflessioni multiple Calcolo interamente quantistico (e oltre lo SQL ) della sensibilità di Dual J.Belfi e F.Marin, PRD , (2008)

11 R V f new old new old s ext = Rext old Vs new f old 1/2 old 1/2 old new 1/2 old 1/2 Y L Rext = S hh hh new new new Y L Rext ( S ) ( ) Dual R&D: Materiali Trovata la legge di scala (per geometrie a simmetria cilindrica) dell sensibilità verso il materiale e la frequenza L V new new old s = L old Vs f f old new V s Y = ρ 1/2 Y = Young s modulus v s material sound velocity = ρ = material density L = cylinder height R = cylinder external radius f = frequency ext Assumendo la stessa finestra in frequenza di sensibilità S hh ( ω) 2 Y ρ SiC candidato ideale

12 Dual R&D: Materiali Carburo di Silicio Capacitive readout Provati molti campioni con diverse geometrie e diversi processi di fabbricazione: Sample 4H SiC Valore massimo delle perdite meccaniche richieste per Dual a T<4K Loss Angle 1E-4 1E-5 1E-6 Plot dei migliori risultati Sintered α-sic Sintered β-sic C/SiC Monocryst. SiC 4H Monocryst. SiC 6H 1E-4 1E-5 1E-6 φ SiC E-7 0, E-7 Temperature [K]

13 Glued suspension & capacitive readout Dual R&D: Materiali Silicio Dimostrato Φ silicio ordine 10-8 già a 4K Prime prove criogeniche su wafer di silicio bondati Loss Angle 1E-4 1E-5 1E-6 Risultati sperimentali 695 Hz 896 Hz 4840 Hz 4845 Hz 6825 Hz 3 monocristalline Si disks bonded together using direct bonding Single disc thickness 0.3 mm, diameter 4 inch Temperature [K] Richieste per Dual φ Bond dischi di silicio incollati con il metodo del direct bonding Dalle nostre misure φ Bond 10 2

14 Dual R&D: Materiali Dissipazioni meccaniche di coating ottici su Si Prime misure in collaborazione con Glasgow (UK) Jena (D) Mode IV Mode V Mode VI 100nm SiO 2 Coating Loss Angle 3E-5 1E-5 on monocrystalline Si ModeIV: 776 Hz Mode V: 1285 Hz ModeVI: 1921 Hz 1E Temperature [K] 3 φ Coating SiO Per Dual ottico viene richiesto (preliminare) φ Coating 10 5

15 DUAL R&D Programma 2009 SI RICHIEDE ESTENSIONE DI 1 ANNO DELLA SIGLA DUAL R&D 1. Prototipo Dual e readout capacitivo a) Caratterizzazione a temperatura ambiente delle funzioni di trasferimento meccaniche del prototipo in scala per la dimostrazione della fattibilità del noise matching. b) Allestimento del sistema per la sperimentazione a 4 K. c) Test a temperatura criogenica del prototipo in scala di Dual per la valutazione della compatibilità del montaggio degli elettrodi con la procedura di raffreddamento e la valutazione dell'effetto degli elettrodi e degli specchi sul fattore di qualità. d) Test criogenici per valutare il campo di scarica negli elettrodi di grande superficie del prototipo. 2. Materiali a) Conclusione delle misure sui wafer di Si incollati e sui SiC trattati termicamente. b)misure delle dissipazioni, a temperature criogeniche, dei coating ottici su substrati prevalentemente di silicio. c)applicazione dell analisi FEM per l interpretazione delle misure b) (oltre che alle misure sul bonding ). 3. Configurazioni Calcolo numerico della sensibilità usando le whips e la trasduzione ottica (incluso coating) Calcolo della sensibilità con readout ottico a cavità Herriot 4. Readout ottico Misure di effetto fototermico in campioni di silicio con coating, nell ambito di uno studio per migliorare le caratteristiche meccaniche dei trattamenti altamente riflettenti. Prototipo di una cavità folded del tipo Herriott con due soli specchi sferici astigmatici e lettura selettiva dei modi. Deliverable Report finale sulla fattibilità di DUAL

16 DUAL R&D FTE 2009 STRUTTURA Ric. Tecn. Totale Fe.DTZ Fi LNL Na Pd Tn

17 Totale richieste DUAL R&D 2009 STRUTTURA Interno Estero Consumo Totale Fe.DTZ 2.0 2, Fi 2.0 2, LNL Na Pd Tn Nessuna richiesta: apparati ed inventariabile